地震動參數(shù)的選取在結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析中的應(yīng)用

喬 琪 張亮泉

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

地震動本身具有不確定性，所以國內(nèi)外學(xué)者通過不斷研究總結(jié)各參數(shù)去描述地震動的特性。但是還是不能準(zhǔn)確得描述地震動，因為參數(shù)只能代表地震動的部分特性。地震動的三要素是振幅、頻譜和持時。也通過這地震動的三要素將地震動參數(shù)分為三類。在結(jié)構(gòu)動力分析中，最常用的方法是動力時程分析。它可以比較準(zhǔn)確的表現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震作用下的結(jié)構(gòu)特性。而在進行動力時程分析時，最關(guān)鍵的一步就是選擇合理的地震動記錄。地震動參數(shù)在結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)和地震動特性之間起連接作用，所以研究地震動參數(shù)與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系是非常重要的。

1 地震動的參數(shù)研究概況

地震動本身的特點是不斷變化的，它隨著震源的遠近，當(dāng)時的地質(zhì)條件不同而變化著，在不同地點記錄的地震動也是不同的，這也體現(xiàn)了地震波本身的不確定性和復(fù)雜性。在早期地震波的研究中，一般通過地面峰值加速度PGA，地面峰值速度PGV，地面峰值位移PGD來描述地震動。這類參數(shù)一般都是宏觀的或者直接通過地震波得到，但是要用來描述地震動還是不夠的。在隨后的研究中，科研學(xué)者不斷的總結(jié)研究，從不同角度總結(jié)了多種地震動指標(biāo)。

葉獻國對一棟12層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)輸入17條不同的地震加速度記錄進行非線性動力分析，分析8 種地震動強度參數(shù)與結(jié)構(gòu)破損指數(shù)的相關(guān)性。葉列平等通過建立單自由度體系和多自由度體系，以60條真實的震動記錄作為基礎(chǔ)，計算了33個地震動強度參數(shù)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)的相關(guān)性，并總結(jié)出不同參數(shù)適用的范圍。呂大剛等選擇40條實際地震動輸入單自由度體系進行動力時程分析，對36個地震動強度參數(shù)從五個方面做出評價。Giovenale通過直接和間接兩種方案驗證地震動強度參數(shù)是連接地震災(zāi)害分析和結(jié)構(gòu)分析的媒介。

地震表征參數(shù)如下：

1)地面峰值參數(shù)。

地面峰值加速度PGA是最常用的地震動參數(shù)，通過將地面峰值加速度PGA積分可以得到地面峰值速度，再積分得到地面峰值位移。這三類也是最早期描述地震動的強度參數(shù)。

PGA=max|üg(t)|

(1)

2)有效峰值參數(shù)。

將阻尼比為5%的加速度反應(yīng)譜在周期0.1 s～0.5 s之間的譜值的均值定義為有效峰值譜加速度。同樣也將此概念擴展到有效峰值譜速度和有效峰值譜位移上。后兩者的參數(shù)與有效峰值譜加速度在定義區(qū)間上有所不同。最常用的定義區(qū)間為：有效峰值譜速度取周期0.7 s～2.0 s之間做平均值；有效峰值譜位移采用周期2.5 s～4 s之間做平均值。式(2)中的2.5為經(jīng)驗系數(shù)。

(2)

3)譜烈度參數(shù)。

譜加速烈度的定義是阻尼比為5%的加速度反應(yīng)譜在周期0.1 s～0.5 s區(qū)間積分?？梢钥闯稍诖藚^(qū)間段加速度反應(yīng)譜曲線和周期包圍的面積。同樣此概念也可以擴展到速度和位移上，也是在積分區(qū)間上有所不同。譜烈度參數(shù)的積分區(qū)間與有效峰值參數(shù)的區(qū)間相同。譜加速度烈度公式：

(3)

4)Arias強度。

單位質(zhì)量體系消耗的能量為Arisa強度，同樣可以將參數(shù)定義擴展到位移強度，速度強度。加速度強度公式如下：

(4)

5)均方根加速度。

Housner將結(jié)構(gòu)的總輸入能量在時間上的均值作為地震動對結(jié)構(gòu)破環(huán)的指標(biāo)。改變積分對象將此定義擴展到均方根速度，均方根位移參數(shù)。

(5)

6)累計絕對速度參數(shù)。

將地震動地面加速度值得絕對值對持時積分得到累計絕對速度CAV，改變積分對象可以得到累計絕對位移CAD和累計絕對動量CAI。CAD是在對地震地面速度在絕對持時上的積分，CAI是地震地面位移在絕對持時上的積分。

7)平方根加速度、平方根速度、平方根位移參數(shù)。

將地震動的時程值的平方沿持時開方得到：

(6)

(7)

(8)

8)反應(yīng)譜參數(shù)。

在給定的地震加速度作用期間內(nèi)，單質(zhì)點體系的最大位移反應(yīng)、速度反應(yīng)和加速度反應(yīng)隨質(zhì)點自振周期變化的曲線。反應(yīng)譜主要反映了結(jié)構(gòu)動力特性和地震動特性之間的動力關(guān)系。

2 地震動表征參數(shù)適用性

地震動表征參數(shù)與結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

進行結(jié)構(gòu)非線性動力分析時，最關(guān)鍵的一步就是選擇地震動記錄，不同的地震動記錄由于本身具有不同的特性所以在進行動力時程分析時結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。所以如何選擇地震動記錄是關(guān)鍵。Giovenale通過兩種方案驗證地震動強度參數(shù)是連接地震災(zāi)害分析和結(jié)構(gòu)分析的媒介。所以我們可以參考哪種參數(shù)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的相關(guān)性較高去選取地震動記錄。

不同的參數(shù)除了可以描述地震動的特性之外，還適用于不同的結(jié)構(gòu)。陳波通過對44種參數(shù)進行有效性分析，建立不同周期，6種延性的單自由度彈塑性模型來分析地震動參數(shù)隨結(jié)構(gòu)自振周期變化的相關(guān)性。先根據(jù)參數(shù)之間的相關(guān)性將參數(shù)分為三類，與地面峰值加速度相關(guān)性較高的參數(shù)Ars,Ia,Ic,Sa(max)等和短周期結(jié)構(gòu)相關(guān)性較高。和地面峰值速度相關(guān)性較高的參數(shù)EPV,CAV,Sv(max)與中長周期結(jié)構(gòu)相關(guān)性較高。PGD，Drs，EPD等參數(shù)和長周期結(jié)構(gòu)相關(guān)性較高。并且通過結(jié)構(gòu)位移的離散性計算了參數(shù)的有效性。

3 結(jié)語

地震動參數(shù)時連接地震特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的媒介，在進行結(jié)構(gòu)非線性動力時程分析時，如果分析的對象是某個長周期結(jié)構(gòu)，通過跟長周期結(jié)構(gòu)相關(guān)性較高的地震動參數(shù)去選擇地震動記錄，將其輸入到結(jié)構(gòu)中去進行分析，可以起到理想的效果。如果選擇的參數(shù)與該結(jié)構(gòu)相關(guān)性不大，那么分析結(jié)果就不能體現(xiàn)預(yù)期的研究目的。所以地震參數(shù)的選取在結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)分析中起到重要作用。

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